Учёные из Цукубского университета разработали пентаалмаз – усовершенствованную аллотропную форму углеродного материала, который будет в 1,5 раза твёрже природных и искусственных алмазов. По мнению исследователей, модификация природного материала придётся кстати в науке, а также в отраслях промышленности, использующих свойства алмазов для гранения, полировки, шлифования, резания, заточки, гравирования и т. п.
Алмазы состоят из атомов углерода, «утрамбованных» в плотную решётку. Шкала Мооса определяет этот минерал как самый твёрдый материал среди известных современной науке. Отличительной характеристикой углерода является существование множества аллотропных форм, которые отличаются строением их кристаллических решёток. Семейство углеродных аллотропов включает в себя широкий спектр материалов, начиная от хорошо известного всем графита и заканчивая углеродным волокном, слагающимся из множества нанонитей.
В большинстве случаев механические свойства таких материалов зависят от того способа связи между атомами в их структуре. Например, внутри обычного алмаза атомы углерода ковалентно связаны с четырьмя ближайшими «соседями». Процесс данного типа взаимодействия химики называют sp3-гибридизацией. Он подразумевает смешивание в центральном атоме многоатомной молекулы электронов одной s- и трёх p-орбиталей под углом 109,5 градусов. Таким образом атомы углерода образуют тетраэдр – многоугольник, гранями которого являются четыре треугольника. В нанотрубках и некоторых других материалах можно наблюдать так называемую sp2-гибридизацию – смешивание одной s- и двух p-орбиталей под углом 120 градусов с образованием расположенного в одной плоскости треугольника.
Исследователи из Цукубского университета на протяжении долгого времени разрабатывали более совершенную версию алмаза, которая объединила бы оба типа гибридизации в ещё более сложную и устойчивую структуру. Исходя из многочисленных компьютерных вычислений на базе DFT (теории функционала плотности), гибридный пентаалмаз будет иметь значительно более богатое морфологическое разнообразие благодаря возросшему количеству соединений между атомами. Метод DFT успешно применяется химиками и физиками для прогнозирования структуры и свойств разрабатываемых материалов. Он рассматривает твёрдые тела как систему электронов, взаимодействующих между собой и удерживаемых решёткой атомных ядер. Для определения гипотетической электронной плотности вещества – то есть для прогнозирования вероятности обнаружения электрона в конкретной точке пространства DFT использует приближённые значения квантовых состояний всех электронов.
С его помощью учёные рассчитали наиболее стабильную конфигурацию атомов и смоделировали пентаалмаз. Согласно их вычислениям, модуль Юнга – величина, характеризующая способность материала сопротивляться упругой деформации – пентаалмаза составит 1691 ГПа (гигапаскаль). В случае обычного алмаза эта величина достигает 1113 ГПа. Пентаалмаз в 1,5 раза твёрже природного алмаза, но при этом он обладает плотностью, сравнимой с характеристиками графита. По мнению авторов исследования «Pentadiamond: A Hard Carbon Allotrope of a Pentagonal Network of sp2 and sp3 C Atoms», это свойство можно будет использовать в научно-исследовательских целях, в частности, в экспериментах с участием ячеек с алмазными наковальнями. Такое оборудование применимо в исследованиях поведения образцов при высоком давлении, например, для воссоздания условий внутри планет.
